基于BIM技術的高邊坡組合支護體系研究與應用

王海峰，王迎彬

(中鐵上海工程局集團建筑工程有限公司，上海 201906)

0 引言

在邊坡治理中各種傳統方法均有各自的局限性，如重力式擋墻、懸臂式或扶壁式擋土墻均要求基底土堅實、具有較高的承載力，而且支護高度一般為6～12m；樁板式擋土墻及抗滑樁的支護高度一般不超過15m；隨著擋土墻高度的增加，墻體對地基承載力的要求急劇增大，擋土墻經濟性變差，因此傳統的擋土墻結構多用于地基條件較好、高度不大的邊坡防護。錨桿框架梁支護、錨桿掛網噴錨支護、土釘墻、抗滑樁等支護方法也廣泛地應用于邊坡治理中，但是面對多層復雜地質條件的超高邊坡時，單一支護方式往往達不到理想效果且經濟性不佳。

隨著BIM技術的發展，目前已開始出現將BIM技術應用于復雜地區的地形信息采集及工程施工調查等技術工作中，但利用傾斜攝影技術結合地質勘察所獲的真實地質信息深化形成三維實體地形地質模型，并進一步用于邊坡穩定分析、優化邊坡治理方案，尚未見相關研究。

1 工程概況

鄭萬鐵路重慶段奉節梅溪河雙線特大橋全長687.8m，設計時速350km/h。主橋為勁性骨架鋼筋混凝土上承式提籃拱橋，拱跨340m，矢高74m，一孔跨越梅溪河，無鉸拱結構，拱圈設計勁性骨架，弦管內壓注C60混凝土，拱圈外包C55混凝土。拱上共計11根墩柱、三聯連續梁；小里程引橋為2×65m T構，大里程引橋為(44+72+44)m連續梁+24m簡支梁。主橋拱座采用水平樁+豎直樁分離式嵌固基礎，水平樁樁長15～30m，水平向下傾斜10°，斷面寬6m、高7～8m；豎直樁為大直徑變截面結構，樁頂9m部分樁徑3.2m，其余部分樁徑2.8m，樁長17～25.5m；拱座承臺寬11.7m、長18.2m、高14.2m。

梅溪河為U字形河谷地貌，地形起伏大，河岸邊坡陡峭，高差50～60m，自然坡度25°～60°，河面寬度約為280m。J1，J2號拱座位于兩岸陡坡上，地形地質條件復雜，施工場地狹小，修建便道困難，拱座基坑開挖及邊坡防護難度大。

2 信息采集及模型建立

2.1 地形信息采集

開工前，利用傾斜攝影技術采集現場地形信息。傾斜攝影技術是利用無人機從不同視角采集數字影像，同時記錄飛行器的空間坐標及飛行姿態等信息，然后通過Agisoft Photoscan等專業軟件對所獲取的影像進行加工，經過幾何校正、聯合平差等一系列運算得到帶有空間位置信息的稠密點云數據，獲得厘米級精度的邊坡三維點云模型。點云抽稀后構建一張連續的TIN三角網，通過把高分影像貼到三角網上，得到真實三維地形模型，如圖1所示。該三維地形模型與現實情況完全吻合，且在模型中可以隨意提取工程建設所需的各點距離、高差等坐標信息，真實呈現實際地形狀況。

圖1 三維地形模型

2.2 地質信息勘探

現場勘察探明了巖土層分布主要包括地表碎石土層、強風化及弱風化泥質灰巖層，并通過鉆探取樣試驗得到不同巖土層的相關土工參數，所獲的真實地質資料為邊坡穩定性計算提供可靠依據。

2.3 三維實體邊坡模型建立

利用傾斜攝影地形文件及勘探所得的地質信息準確重構三維實體地形地質模型，導入ABAQUS軟件進行有限元分析，分析超高邊坡開挖過程結構的位移及穩定性，實現傾斜攝影技術、三維建模技術與有限元分析技術的結合應用。三維實體地形地質模型的信息導入及模型建立過程如圖2所示。

圖2 三維實體地形地質模型建立流程

3 組合支護體系設計

3.1 初步設計

根據地形信息模型及地質情況對邊坡進行區域劃分，結合拱座邊坡的設計要求及各類邊坡支護方式的優點，對不同區域采用不同的支護方式。三級邊坡位于最高處，要求坡頂建設項目駐地，需保留較厚巖堆，坡面刷坡開挖方量小，地表碎石土層較厚，擬采用錨管注漿+掛網噴錨支護；二級邊坡位于強風化泥質灰巖層內，擬采用坡度1∶1的錨桿框架梁支護；一級邊坡位于弱風化泥質灰巖層，擬采用坡度1∶0.75的錨桿框架梁支護；拱座基坑側壁位于弱風化泥質灰巖層，側壁臨時坡面擬采用噴錨網支護，基坑底部采用抗滑樁支護；對于局部需設置施工平臺及便道的部位，加設擋土墻防護。初步確定兩岸邊坡及拱座基坑采用分級開挖、分區支護、多種支護方式組合應用的實施方案，以大里程J2號拱座邊坡為例說明如下：①J2號邊坡高差60m，計劃分4級開挖，如圖3所示；②坡頂場地為建設項目駐地；③三級邊坡高度10m，坡度1∶1，錨管注漿+掛網噴錨支護；④二級邊坡高度11.3m，坡度1∶1，錨桿框架梁支護；⑤一級邊坡高度15m，坡度1∶0.75，錨桿框架梁支護；⑥基坑側壁高度14.2m，臨時噴錨網支護；⑦基坑底部設置抗滑樁，樁頂采用冠梁連接。

圖3 大里程J2號拱座邊坡初擬治理方案(單位：cm)

根據施工組織要求，在J2號拱座側的二、三級邊坡中間規劃施工便道，便道兩側設置擋墻，擋墻支護高度合計9.5m。由于兩岸臨時修建的便道口與拱座基坑存在高差，且便道坡度不宜過大，并綜合考慮拱座豎直樁及水平樁開挖施工，需根據計算確定基坑開挖支護的總體施工順序。

3.2 有限元分析計算

在三維地形地質模型中，根據初步方案設置各級邊坡開挖支護的施工階段，真實模擬各工況，確定最終的開挖支護順序及各區詳細施工參數。邊坡計算分析中，采用三維分析與二維校核相結合，通過多種方法、多種軟件反復分析對比，確保施工安全。首先將三維實體地形地質模型導入ABAQUS軟件中進行三維有限元整體分析，然后根據三維模擬計算結果，在模型中提取典型部位的相關信息，進行二維平面分析校核。

研究表明，土質邊坡的滑動面一般為圓弧形，而巖質邊坡由于結構面的存在，滑動面往往為折線形。因此，在采用Slide邊坡穩定計算軟件進行二維極限平衡分析校核中，分別采用圓弧形滑面和折線形滑面兩種破壞模式進行驗算，圓弧滑動模式采用簡化Bishop法計算，而對于折線形滑面則采用M-P法計算。

經計算發現，采取相應支護方式組合加固后的一、二、三級邊坡安全系數均在1.25以上，滿足邊坡安全標準，且尚有一定的安全裕度；其中坡頂為建設項目駐地，需保留較厚巖堆，三級邊坡通過加強組合支護措施，安全性也滿足要求。但拱座基坑坡度陡，近乎豎直開挖，導致安全系數顯著降低。在拱座基坑底不設置抗滑樁時，開完至基底工況的安全系數僅為1.05，低于臨時邊坡的安全標準(≥1.1)，存在較大的施工風險，所以應增設基底抗滑樁。由于抗滑樁的限制，潛在滑面位置由基坑底變化至從抗滑樁頂穿過，相當于降低了基坑開挖深度，邊坡整體安全系數從原來的1.05提高至1.17，增大11%，滿足了臨時邊坡的安全標準要求，因此基底抗滑樁的設置對于提高基坑安全度作用很大。

4 組合支護體系應用

根據上述計算分析選擇最有效的組合支護體系，綜合利用多種支護措施的優勢，確保方案的有效性和經濟性。拱座邊坡采用由上到下逐級開挖的逆作法施工，邊開挖邊支護、逐級推進施工。

4.1 拱座邊坡整體治理

由于大里程修建施工便道影響，無法按照原設計坡度施工拱座邊坡，經變更后便道以下分兩級放坡，一級邊坡坡度為1∶0.75，二級邊坡為1∶1，分級邊坡之間設置防護平臺。由于坡頂需修建項目駐地，巖堆無法完全清除，所以便道以上的第3級邊坡采用錨管注漿+掛網噴錨的組合方式支護。大里程J2號側拱座邊坡防護治理具體參數如下。

1)三級邊坡 采用錨管注漿+掛網噴錨支護，第1排錨管長度12m，向下逐排遞減2m，鉆φ90mm錨孔；長度在6m以上部分采用φ48mm×3mm錨管注漿；長度4m及以下部分采用φ20mm鋼筋錨桿；錨管或錨桿橫豎間距均為1.6m，傾斜15°。

2)二級邊坡 采用錨桿框架梁加固，錨桿采用φ32mmHRB400鋼筋、長12m、傾斜15°，鉆孔直徑110mm，橫豎間距3m。

3)一級邊坡 采用錨桿框架梁加固，錨桿采用2根φ32mmHRB400鋼筋、長8m、傾斜15°，鉆孔直徑110mm，橫豎間距均為3m。

4)基坑側壁 采用噴錨支護，錨桿采用HRB400φ32mm鋼筋、長10m、傾斜15°，鉆孔直徑110mm，橫豎間距均為1.5m。

5)基坑底部 設置1排抗滑樁，樁徑1.2m，樁長17m，其中基坑底面以上懸臂段長度5m(含冠梁)，樁間距1.5m，樁頂設置1.2m×1m鋼筋混凝土冠梁；為方便水平樁施工，水平樁洞口范圍內不設抗滑樁。

4.2 局部邊坡加強支護

在J2號施工便道兩側設置擋墻(見圖4)，擋墻由邊坡開鑿的毛石砌筑而成，為加快施工進度，擋墻結構設計分2個階段施工；第1階段采用毛石砌筑擋墻并預留錨孔，該階段擋墻僅能承受邊坡巖土側壓力及輕型車輛通行，以此縮小擋墻厚度、減少砌筑工作量來保證進度；第2階段利用預留錨孔采用雙拼工字鋼豎梁+鋼筋錨桿的組合方式進行加強支護，保證后期主體工程施工時重載車輛通行。

圖4 便道擋墻局部加強支護(單位：cm)

4.3 拱座基坑分級開挖

由于兩岸便道口與拱座基底存在較大高差，以及拱座豎直樁及水平樁施工順序要求，拱座基坑分3次開挖，以J1號拱座為例對拱座基坑分層開挖(見圖5)進行說明。

1)第1次開挖 拱座基坑以上的邊坡防護完成后，J1號側拱座基坑先開挖至基底以上4m位置，作為拱座豎直樁作業平臺進行豎直樁施工，豎直樁完成后，施作基坑抗滑樁。

2)第2次開挖 抗滑樁完成后，第2次開挖基坑至水平樁洞口底標高位置(基底以上1.5m)，進行水平樁施工。

3)第3次開挖 水平樁施工完成后，第3次開挖基坑至基底標高，進行拱座承臺施工。

圖5 J1拱座基坑分層開挖示意(單位：m)

5 技術創新

1)利用傾斜攝影技術自動采集現場地形信息，操作方便快捷、收集信息精確，不僅避免了測量人員徒步到達復雜地形區域采集信息，而且有效節約了人力資源投入；將傾斜攝影技術與BIM技術的結合引入到邊坡穩定分析中，高效快速地為三維計算分析提供精準模型。

2)提出邊坡分區、分級開挖、局部加固與整體加固相結合的高邊坡組合支護方式，對不同區域采用不同的支護方法，綜合發揮各類邊坡支護方法的優點，不僅方便生產組織及施工操作，而且具有較好的經濟性。

6 結語

結合BIM技術及地質信息建立三維實體地形地質模型，集中各類邊坡支護方式的優點加以分區應用并連成整體，形成一套基于BIM技術的高邊坡組合支護體系。鄭萬鐵路奉節梅溪河雙線特大橋開創性地運用該技術，在成功地解決現場高大邊坡支護難題的基礎上，不僅從施工組織上增加了兩岸坡頂場地，為山區復雜地形環境下后續施工帶來極大便利；而且工期上比預計提前35d具備拱座豎直樁開挖條件，為工程建設創造了良好開局。該技術經應用后取得顯著成效，實踐證明其技術可行性及優越性，具有較高的推廣應用價值。